LED在照明工程中的應(yīng)用

過去10年來，LED在顏色種類、亮度和功率都發(fā)生了極大的變化。LED以其令人驚歎而欣喜的應(yīng)用在城市室內(nèi)外照明中發(fā)揮著傳統(tǒng)光源無可比擬的作用。LED壽命長(zhǎng)達(dá)10萬小時(shí)，意味著每天工作8小時(shí)，可以有35年免維護(hù)的理論保障。低壓運(yùn)行，幾乎可達(dá)到的光輸出，調(diào)光時(shí)低到零輸出，可以組合出成千上萬種光色，而發(fā)光面積可以很小，能製作成1平方毫米。經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì)，照明燈具達(dá)到理想的光強(qiáng)分佈。快速發(fā)展的LED技術(shù)將為照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來嶄新的可能性，這是許多傳統(tǒng)光源所不可能實(shí)現(xiàn)的。

1. 認(rèn)識(shí)LED的特點(diǎn)

      今天似乎*的目光都聚焦在LED這個(gè)新型的光源上，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色照明產(chǎn)品，甚至人們預(yù)言未來會(huì)大部分取代傳統(tǒng)的光源。因?yàn)樗哂袎勖L(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)牢固、節(jié)能、發(fā)光體接近點(diǎn)光源（有利於LED的燈具設(shè)計(jì)）、薄型燈具、燈具材料選擇範(fàn)圍大、不需要加發(fā)射器、低壓、沒有紫外輻射、尤其在公共環(huán)境中使用更加安全等特點(diǎn)。再加上LED光源的生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)無汞化，對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源更具有重要意義。

      傳統(tǒng)的LED主要用於信號(hào)顯示領(lǐng)域、建築物航空障礙燈、航標(biāo)燈、汽車信號(hào)燈、儀錶背光照明，如今娛樂、建築物室內(nèi)外、城市美化、景觀照明中應(yīng)用也越來越廣泛。

2. LED的光照?qǐng)D式設(shè)計(jì)與應(yīng)用

      LED作為新的光源，有它自身的發(fā)光機(jī)理與特點(diǎn)。二次光學(xué)設(shè)計(jì)中充分利用LED的優(yōu)勢(shì)，則是產(chǎn)品研發(fā)必須關(guān)注的問題。

2.1 表面發(fā)光

      對(duì)LED進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，可以形成點(diǎn)發(fā)光、線發(fā)光和麵發(fā)光的自發(fā)光形式。點(diǎn)發(fā)光的燈具表面亮度不需要很高，柔和的漫射光往往在環(huán)境中起到定向的作用。線發(fā)光的LED用於輪廓照明的情況較多，產(chǎn)品需要系列化，根據(jù)建築物的形態(tài)、高度以及環(huán)境亮度，需要有不同管徑大小和不同表面亮度的產(chǎn)品。面發(fā)光的LED是將模組化的LED拼裝，形成發(fā)光的表面。在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，這類產(chǎn)品可以成為室內(nèi)主要的裝飾元素，也會(huì)在地面照明中使用。

2.2 側(cè)向發(fā)光

      在被發(fā)光的透明介質(zhì)如玻璃側(cè)面線性安裝LED，通過光線的全發(fā)射，使得整個(gè)玻璃表面產(chǎn)生柔和的發(fā)光效果。這種裝飾效果可以對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行照明，也可以用於賓館大堂的主要視覺中心，如樓梯。當(dāng)然，樓梯的材料一定是透明的。玻璃繪畫的照明也可以採用這種照明方式，將玻璃上經(jīng)過酸腐蝕的藝術(shù)繪畫呈現(xiàn)出來，如圖1、圖2所示。

2.3 投射光

      投射光的光照?qǐng)D式可以是扇形的，也可以是平行光束。這是LED投射燈具*可以做到的。扇形的光束用於照射垂直的柱面或窗間牆面，而平行的光束可以照射連續(xù)的牆面，形成漫射光照明。

2.4 裝飾性的動(dòng)態(tài)變化——對(duì)顏色、光強(qiáng)和時(shí)間的控制

      RGB技術(shù)，將使得LED的顏色理論上可以實(shí)現(xiàn)無數(shù)種。LED發(fā)光的光強(qiáng)與色彩產(chǎn)生預(yù)先程式設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)變化，展示了光的運(yùn)動(dòng)，這主要依賴於數(shù)位控制技術(shù)相結(jié)合的方式。照明設(shè)計(jì)和建築師已經(jīng)認(rèn)識(shí)到LED強(qiáng)大的可變化效果，尤其在控制和美化方面，他們對(duì)LED的應(yīng)用也加速了LED的發(fā)展速度。採用為L(zhǎng)ED全彩燈具設(shè)計(jì)的控制器，通過電腦編程，可以控制燈具同步或非同步進(jìn)行色彩變化和快速色彩動(dòng)作變化。如圖3所示。

3. LED室內(nèi)外燈具一覽

      目前照明工程對(duì)LED的應(yīng)用多限於裝飾性的，隨著LED功率的提高，白光LED將逐步會(huì)取代傳統(tǒng)的光源，應(yīng)用到功能性照明的方方面面。

3.1 室內(nèi)燈具

3.1.1 天花燈具

      0.5～8W的小功率室內(nèi)天花LED燈具，配上磨砂玻璃透鏡，其小巧的外形，在餐飲、酒吧類的空間將會(huì)找到用武之地。燈具形式可為筒燈、嵌入式、吸頂式、下照式、方向型透投射式或加小型化的燈具如迷你型，配件可製成系列化的彩色裝飾環(huán)（封口環(huán)），如圖4、圖5所示。

3.1.2 作業(yè)照明

      如工作照明用的臺(tái)燈，可以改變傳統(tǒng)的臺(tái)燈的造型，為工業(yè)設(shè)計(jì)帶來新的設(shè)計(jì)理念。這種局部的照明，還可以在傢俱的廚房操作臺(tái)處的暗藏式照明發(fā)揮作用。

3.1.3 暗光燈具

方向可以任意調(diào)節(jié)的裝飾性暗光燈具。

3.1.4 圖案型光束燈具

精確設(shè)計(jì)出光口，控制光斑的長(zhǎng)度，將這類燈具組合，可以成為室內(nèi)別樣的光藝術(shù)作品。

3.1.5 交通指向性符號(hào)照明

3.1.6 夜間長(zhǎng)明燈

居室內(nèi)夜間長(zhǎng)明的小型燈具。

3.2 戶外照明燈具

3.2.1 牆面或柱面的投光燈具

     根據(jù)現(xiàn)代建築外觀照明的要求，投光燈具的小型化是投光燈具發(fā)展的趨勢(shì)。其出光口可以是單向，也可以是上下兩個(gè)方向。可以將燈具成組設(shè)計(jì)加以組合，滿足光效序列化的需要。這些燈具也可以用於綠化的照明，如圖6、圖7所示。

3.2.2 地面燈具

      地面燈具使用LED光源可以將尺寸小型化。一方面可以用作環(huán)境照明（功率4～8W），另一方面可以作為自發(fā)光裝飾照明或引導(dǎo)照明（功率3~8W）。依據(jù)具體的地面鋪裝，燈具的出光口面可大可小。嵌入式石燈、地磚燈，自然切邊的方形，與鋪裝的石頭取得一致，如圖8、圖9所示。

3.2.3 線性自發(fā)光燈具

LED的輪廓照明效果可以替代傳統(tǒng)的鎂氖燈，通過色彩的變化，具有流動(dòng)變幻的特殊效果。

3.2.4 壁燈

牆面安裝的局部下照明燈具，用於照亮地面或樓梯的踏面。

3.2.5 裝飾草坪燈

      具有設(shè)計(jì)意味的草坪燈，將發(fā)光的部位設(shè)計(jì)成環(huán)裝等各種結(jié)構(gòu)，局部照亮草坪；同時(shí)也成為環(huán)境中的裝飾元素，如圖10、圖11所示。

3.2.6 水下燈

LED水下燈放在水下，用於水體的照明，其IP指數(shù)要求為68。

4. LED在照明工程中的應(yīng)用方向

4.1 建築物外觀照明 

      對(duì)建築物某個(gè)區(qū)域進(jìn)行投射，無非是使用控制光束的圓頭和方向形狀的投光燈具，這與傳統(tǒng)的投光燈具概念*一致。但是，由於LED光源小而薄，線性投射燈具的研發(fā)無疑成為L(zhǎng)ED投射燈具的一大亮點(diǎn)，因?yàn)樵S多建築物根本沒有出挑的地方放置傳統(tǒng)的投光燈。它的安裝便捷，可以水平也可以垂直方向安裝，與建築物表面更好地結(jié)合，為照明設(shè)計(jì)師帶來了新的照明語彙，拓展了創(chuàng)作空間。並將對(duì)現(xiàn)代建築和歷史建築的照明手法產(chǎn)生了影響，如圖12、圖13所示。

4.2 景觀照明

      由於LED不像傳統(tǒng)燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道傢俱很好的有機(jī)結(jié)合?？梢栽诔鞘械男蓍f空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進(jìn)行照明。對(duì)於花卉或低矮的灌木，可以使用LED作為光源進(jìn)行照明。LED隱藏式的投光燈具會(huì)特別受到青睞。固定端可以設(shè)計(jì)為插拔式，依據(jù)植物生長(zhǎng)的高度，方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.3 標(biāo)識(shí)與指示性照明

      需要進(jìn)行空間限定和引導(dǎo)的場(chǎng)所，如道路路面的分隔顯示、樓梯踏步的局部照明、緊急出口的指示照明，可以使用表面亮度適當(dāng)?shù)腖ED自發(fā)光埋地?zé)艋蚯对诖怪睜澝娴臒艟?，如影劇院觀眾廳內(nèi)的地面引導(dǎo)燈或座椅側(cè)面的指示燈，以及購物中心內(nèi)樓層的引導(dǎo)燈等。另外，LED與霓虹燈相比，由於是低壓，沒有易碎的玻璃，不會(huì)因?yàn)檠u作彎曲而增加費(fèi)用，值得在標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)中推廣使用。

4.4 室內(nèi)空間展示照明 

      就照明質(zhì)量來說，由於LED光源沒有熱量、紫外與紅外輻射，對(duì)展品或商品不會(huì)產(chǎn)生損害，與傳統(tǒng)光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統(tǒng)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，易於安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業(yè)照明大都會(huì)使用彩色的LED，室內(nèi)外裝飾性的白光LED結(jié)合室內(nèi)裝修為室內(nèi)提供輔助性照明，暗藏光帶可以使用LED，對(duì)於低矮的空間特別有利。

4.5 娛樂場(chǎng)所及舞臺(tái)照明

      由於LED的動(dòng)態(tài)、數(shù)位化控制色彩、亮度和調(diào)光，活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的照明效果。從白光到全光譜中的任意顏色，LED的使用在這類空間的照明中開啟了新的思路。長(zhǎng)壽命、高流明的維持值1萬小時(shí)後仍然維持90%的光通），與PAR燈和金鹵燈的50~250小時(shí)的壽命相比，降低了維護(hù)費(fèi)用和更換光源的頻率。另外，LED克服了金鹵燈使用一段時(shí)間後顏色偏移的現(xiàn)象。與PAR燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前LED彩色裝飾牆面在餐飲建築中的應(yīng)用已蔚然成風(fēng)。

4.6 視頻螢?zāi)?

      全彩色LED顯示幕是當(dāng)今世界上zui為引人注目的戶外大型顯示裝置，採用先進(jìn)的數(shù)位化視頻處理技術(shù)，有無可以比擬的超大面積與超高亮度。根據(jù)不同的戶內(nèi)外環(huán)境，採用各種規(guī)格的發(fā)光圖元，實(shí)現(xiàn)不同的亮度、色彩、解析度，以滿足各種用途。它可以動(dòng)態(tài)顯示圖文動(dòng)畫資訊，利用多媒體技術(shù)，可播放各類多媒體檔。世界上目前zui有影響的LED顯示幕，當(dāng)屬美國曼哈頓時(shí)代廣場(chǎng)紐約證券交易所，總計(jì)使用了18677760只LED，面積為10736平方英尺。螢?zāi)豢梢詣澐殖啥鄠€(gè)畫面，而同時(shí)顯示，將華爾街股市的行情一目了然呈現(xiàn)在公眾面前。另外崛起在上海浦東陸家觜金融中心的震旦國際總部，整個(gè)朝向浦西的建築裏面鑲上了長(zhǎng)100m的超大型LED屏，總計(jì)面積達(dá)到3600平方米。堪稱世界*。

4.7 與工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合

      LED是近年歐洲產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的寵兒，他們將LED作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)元素的一部分，馳騁於想像的空間，將光、玻璃或其他材料結(jié)合在一起，成為美輪美奐的藝術(shù)品。


 

5. LED產(chǎn)品研發(fā)亟待解決的問題

     LED是21世紀(jì)發(fā)展前景的高技術(shù)照明領(lǐng)域。作為新型固體光源，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，將是人類照明*繼白熾燈、螢光燈、高壓氣體放電燈的又一次飛躍。在半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的外延生產(chǎn)、晶片製造、器件封裝、集成應(yīng)用等幾個(gè)環(huán)節(jié)已初步形成比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但在白光照明實(shí)現(xiàn)LED功能化照明方面存在著許多制約因素。因此，在目前的情況下，對(duì)LED照明產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)寄予以下希望：

5.1 滿足人們對(duì)照明的個(gè)性化需求

      LED的模組化，為照明設(shè)計(jì)帶來了便利，通過設(shè)計(jì)者充分合理的佈局，使LED處於良好的工作狀態(tài)。LED的產(chǎn)品在滿足個(gè)性化照明方面是傳統(tǒng)光源相形見絀的，LED產(chǎn)品形制的多樣化將達(dá)到的程度。

5.2 面發(fā)光LED產(chǎn)品考慮建築的模數(shù)化

      面發(fā)光的LED必須與城市設(shè)計(jì)和建築設(shè)計(jì)相結(jié)合，才能滿足設(shè)計(jì)者的需求。例如作為地面鋪裝的夜間裝飾，產(chǎn)品的尺寸與地磚的尺寸相協(xié)調(diào)，即符合模數(shù)的要求：150×15；200×200；200×100；300×300；400×200等。

5.3 小功率LED燈具設(shè)計(jì)

      城市夜景照明追求的不是亮度，而是藝術(shù)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，小功率的LED產(chǎn)品應(yīng)該能夠找到他的用武之地。發(fā)光角度小的LED方向性強(qiáng)，可作局部重點(diǎn)照明。問題是要給設(shè)計(jì)師提供足夠大的選擇範(fàn)圍，外觀上也應(yīng)有美觀的要求?？梢钥隙ǖ卣f，LED將會(huì)在未來引領(lǐng)照明的時(shí)尚與潮流。

5.4 環(huán)保與節(jié)能，LED合理利用

      綠色照明的概念是追隨的生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)。如果將LED與太陽能電池組合，將會(huì)擴(kuò)大LED的應(yīng)用範(fàn)圍與場(chǎng)所。

5.5 大功率、高光效、高顯色性的白光LED照明產(chǎn)品研發(fā)

      LED在照明領(lǐng)域的使用目前還受到技術(shù)水平和價(jià)格的限制，目前我國LED在照明領(lǐng)域應(yīng)用的困難是LED白光光效不高（20Lm/W左右），功率不大（幾十豪瓦至一瓦）、價(jià)格貴。但是白光LED的發(fā)展前景看好，發(fā)光效率將達(dá)到125Lm/W，單顆的輸出功率達(dá)到10W，大功率、高亮度LED集成封裝技術(shù)的研究，包括驅(qū)動(dòng)電路及特種燈具的開發(fā)，無疑是LEDzui終走入照明領(lǐng)域的關(guān)鍵。一旦光效和價(jià)格問題得到解決，LED將是未來照明的主體。